动力学同位素效应英文解释翻译、动力学同位素效应的近义词、反义词、例句

英语翻译：

【化】 kinetic isotope effect

分词翻译：

动力学的英语翻译：

dynamics; kinetics
【化】 dynamics; kinetics
【医】 dynamics; kinetics

同位素效应的英语翻译：

【化】 isotope effect

专业解析

动力学同位素效应（Kinetic Isotope Effect, KIE）是物理化学和反应机理研究中的一个核心概念，指同一元素的同位素因质量差异导致其在化学反应速率上表现出的可观测差异。该效应是研究反应机理（尤其是涉及键断裂步骤）的重要探针。

一、汉英术语对照与核心定义

中文全称：动力学同位素效应
英文全称：Kinetic Isotope Effect (KIE)
核心定义：当反应物分子中的某个原子被其较重的同位素取代后，观察到的化学反应速率常数（k）的变化现象。通常用较轻同位素参与反应的速率常数（k_light）与较重同位素参与反应的速率常数（k_heavy）的比值（KIE = k_light / k_heavy）来表示。若 KIE > 1，表明较轻同位素的反应更快，称为正常动力学同位素效应；若 KIE < 1，则称为反常或逆动力学同位素效应。

二、产生机理与理论基础

动力学同位素效应主要源于同位素取代引起的化学键零点振动能（Zero-Point Vibrational Energy, ZPVE）差异和量子隧道效应差异。

零点振动能差异（主要来源）：
- 根据量子力学，分子中的化学键始终在振动，即使在绝对零度也存在最低能量振动，即零点振动能（ZPVE）。
- 化学键的振动频率 ν 与键所连接原子的折合质量 μ 的平方根成反比（ν ∝ 1/√μ）。较重的同位素具有更大的折合质量 μ，导致其振动频率 ν 降低。
- 振动频率 ν 降低意味着零点振动能（ZPVE = 1/2 hν）降低。因此，含较重同位素的化学键具有较低的零点振动能。
- 在涉及该键断裂的反应中（通常是速率决定步骤），反应物需要克服能垒达到过渡态。含较轻同位素的反应物具有更高的 ZPVE，其基态能量更高，因此达到过渡态所需的活化能（Ea）相对较低；反之，含较重同位素的反应物基态能量较低，达到过渡态所需的 Ea 较高。
- 根据阿伦尼乌斯方程（k = A e^{-Ea/RT}），较低的 Ea 导致较大的 k。因此，k_light > k_heavy，KIE > 1（正常 KIE）。该效应在涉及与同位素原子直接相连的键（如 C-H vs C-D）发生断裂或形成的反应中最为显著（一级动力学同位素效应）。
- 理论基础可参考经典物理化学教材对分子振动光谱和过渡态理论的阐述。
量子隧道效应差异：
- 较轻的粒子（如质子 H⁺）比较重的粒子（如氘核 D⁺）更容易发生量子隧道效应（穿越能垒）。
- 在涉及氢转移的反应中，H 的隧道效应通常比 D 显著，这也会导致 k_H > k_D，贡献于正常的 KIE。此效应在低温或高能垒反应中尤为明显。

三、类型与应用价值

一级动力学同位素效应 (Primary KIE)：
- 定义：同位素原子本身直接参与键的断裂或形成（即在反应坐标中发生变化）所产生的效应。
- 典型值：对于 C-H / C-D 键断裂，KIE (k_H/k_D) 通常在 2-7 范围内，理论最大值在室温下约为 7（基于简谐振子模型）。实测值可提供键断裂程度的关键信息。
- 应用：是判断反应速率决定步骤是否涉及特定原子（尤其是氢）的化学键断裂的最有力证据之一。例如，若 k_H/k_D ≈ 7，强烈表明 C-H 键断裂是决速步；若 KIE ≈ 1，则表明该键在决速步中未发生变化。
二级动力学同位素效应 (Secondary KIE)：
- 定义：同位素原子不直接参与键的断裂或形成，但其化学环境在反应中发生变化（如在过渡态中键的强度或键角发生变化）所产生的效应。通常比一级效应小（KIE 通常在 0.7 - 1.5）。
- 类型：
  - α-二级 KIE：同位素原子连接在发生键变化的原子（如反应中心碳）上。可提供过渡态杂化或立体化学变化信息。
  - β-二级 KIE：同位素原子连接在与反应中心相邻的原子（如 α-碳的邻位碳）上。可反映过渡态的超共轭或空间效应变化。
- 应用：用于研究反应机理的细节，如反应中心杂化状态的变化（sp³ vs sp²）、环张力释放、邻近基团参与等。

四、在反应机理研究中的关键作用

动力学同位素效应是阐明有机反应和酶催化反应机理不可或缺的工具：

识别决速步与键断裂：显著的一级 KIE 是键断裂发生在决速步的直接证据。
区分反应机理：例如，在亲核取代反应（SN1 vs SN2）或消除反应（E1 vs E2）中，KIE 模式不同，可帮助区分机理。
探测过渡态结构：结合理论计算，KIE 值（特别是二级 KIE）可提供过渡态中键长、键角、杂化状态等结构信息。
酶催化研究：测量酶促反应中的 KIE（尤其是与溶液反应对比）可揭示酶如何通过预组织、张力或特定催化机制（如低势垒氢键）来加速反应。

参考文献

Atkins, P. W.; de Paula, J. Physical Chemistry (11th ed.). Oxford University Press, 2017. (Chapter on Molecular Spectroscopy and Chemical Kinetics).
Isaacs, N. S. Physical Organic Chemistry (2nd ed.). Longman, 1995. (Sections on Isotope Effects).
Journal of the American Chemical Society. Articles frequently utilize KIE for mechanistic studies, e.g., DOI: 10.1021/ja00101a078 (Example study on nucleophilic substitution).
Accounts of Chemical Research. Reviews on applications of KIE, e.g., DOI: 10.1021/ar00001a001 (Example on enzyme mechanisms).

网络扩展解释

动力学同位素效应（Kinetic Isotope Effect, KIE）是指化学反应中，当反应物的某一原子被其同位素取代时，反应速率发生变化的量子力学现象。以下是其核心要点：

1.定义与数值表达

动力学同位素效应表现为轻同位素与重同位素参与反应时的速率常数比值，即： $$ KIE = frac{k{text{轻}}}{k{text{重}}} $$ 例如，氢（H）与氘（D）的KIE通常较大，因为质量差异显著。

2.产生原因

振动频率差异：较重同位素振动频率较低，导致其达到过渡态所需能量更高，反应速率更慢。
零点能变化：同位素质量差异影响化学键的零点能（基态振动能），轻同位素零点能更高，键更易断裂。

3.分类

初级KIE：同位素直接参与键的断裂或形成（如C-H键变为C-D键），通常数值较大（如H/D的KIE可达2-10）。
次级KIE：同位素不直接参与键变化，但通过电子效应或空间效应间接影响反应速率，数值较小（约1.0-1.5）。

4.应用

反应机理研究：通过KIE值判断限速步骤是否涉及特定键的断裂，例如KIE显著时表明该步骤为决速步。
药物设计：利用氘代保护代谢敏感位点，延长药物半衰期（如氘代丁苯那嗪）。

5.与热力学效应的区别

动力学效应关注反应速率差异，而热力学效应涉及同位素取代对平衡常数的影响（如同位素分馏现象）。

以上内容综合了量子力学解释、实验观察和应用场景，主要参考高权威性来源（如、5、12）及补充说明。如需更详细机制或案例，可进一步查阅相关文献。